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开关电源(3)-BUCK之输出电容的选型

 爱月亮的长颈鹿 2022-06-22 发布于北京

承前启后的周三,打工人们早上好!

输出电容的选型参数已经介绍过,主要有以下几点:

①额定电压

②纹波电流

③阻抗-频率特性

④纹波电压

文章地址如下:

彭于晏的一天,公众号:硬件工程师技术小站开关电源(2)-BUCK之输出电容的选型

输入电容的选型重点和输出电容有重合点,但也有不同,主要包括以下几点:

①额定电压

②纹波电流

③输入纹波电压

③电容的温度特性

阻抗-频率特性

详细介绍如下

1、1 额定电压(Rated Voltage)

IC的最高输入电压不能超过电容的额定电压;但是由于电容的直流偏置太任性,即使输入电压未超过电容的额定电压,电容的变化速率也会随电压的增加而变化(如下图),因此电压必须一般进行降额70%使用。

比如某ICVmax=15V,那么输入电容的额电压要高于15/0.7=21.4V进行选型使用。

1、2 纹波电流

纹波电流是流进电容的交流电流,使电容发热,太高的温升会使电容超过它的最大可允许管芯温度而很快损坏。通常额定温度为85℃的电容允许温升是10℃。额定温度为105℃的电容允许温升是5℃。

纹波电流的计算公式如下,其中△IL为电感的电流纹波,约等于0.3*Iout。

1、3 输入纹波电压(Input ripple voltage)

IC的输入纹波电压由输入电容决定,具体可根据下式进行计算:

Io(MAX):最大输出电流,A

CIN:输入电容值,F

Fsw:开关频率,Hz

ESRMAX:最大等效串联电阻,Ω

1、4 电容的温度特性

不同类型的电容的工作温度是不同的,如下表所示:

且其容量随温度的变化也是变化的(温漂)。不同类型的电容温漂结果相差较大(如下图),因此在设计电路时需要考虑实际的工作温度来选择电容类型。在容量要求比较高的地方,就不能选择Y或者Z系列电容。

1、5 阻抗-频率特性

首先明白,当,即谐振的时候,电容的阻抗等于等效串联电阻,此时阻抗最小,用来滤波效果最好。也就是说电容的ESR并不是恒定的,和频率有关。因此在选择电容容量时要根据IC的开关频率选择合适的电容。

综上输入电容选型步骤:(输出电容可类比进行):

Step1:输入电容器的额定电压要比最大输入电压高,且降额70%使用;

Step2:根据IC的开关频率选择电容的容值,保证具备良好的滤波效果;

Step3:根据实际工作环境,结合电容温度特性选择电容类型;再综合实际设计决定封装大小;

Step4:电容器的额定纹波电流要比IC的输入纹波电流大(IC输入纹波电流通过公式计算);

Step5:由输入电容值计算输入纹波电压,输入纹波电压要比IC的输入纹波电压小。

设计实例:

1、设计要求

2、选型计算

计算电容的额定电压:15/0.7=21.4V ,电容没有此额定电压,因此选用额定电压为25V的电容

fsw1MHz, 根据村田提供的模型(不同厂家的电容模型存在差异),47uF电容在的阻抗最低,滤波效果比较好,因此选用47uF /25V的电容

③确定工作温度和容量要求,产品需要进行HAST等实验需要选用-55℃~85℃电容。因此可选用X5R类型电容。47uF电容有0603和0805封装,在此选用0805封装作为示例。

④计算纹波电流

按下图中数据手册中,纹波电流为1.5A时,温度升高2℃左右,远小于10℃,满足设计需求

⑤计算输入纹波电压,查数据手册的47uF /25V  0805 封装电容的ESR max 2 mΩ

最大输入电压下:

最小输入电压下:

以上是极限输入电压下的输入纹波电容,小于设计需求的300mV。但实际上由于供电、PCB阻抗和布局布线等问题,会造成纹波实际比计算值大很多,此处需保证足够的裕量。

同时可以增加一个小容量电容增强高频滤波效果,如0.1uF电容。还可以将一个47uF /25V替换成两个22uF/50V电容,具有更好的滤波效果。

综上选择47uF /25V ,电容类型为X5R0805电容。

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